CN102680155A - 旋转机械受力和振动测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种旋转机械受力和振动测量装置，属于旋转机械部件动力学参数采集和存储装置。包括应变片、加速度测量模块、信号采集放大模块、A/D转换模块、数据存储模块、电源模块。本发明将调理电路、信号处理电路、A/D转换模块、数据存储模块、电源模块、数据传输接口集成在一块电路板上，形成一个功能完整的数据采集和存储，为上位机做数据分析提供可靠保障。主要功能是完成数据的采集和存储，保证在不需要外接导线的条件下，保证采集到旋转机械工作过程中的受力和振动，既节省了材料，能够保证足够大的采样频率，减少信号的损失以及干扰信号的影响。同时提高系统运行的稳定性和可靠性，并且减少电路板的数量，结构简单紧凑，易于装卸，体积小，可靠性高。

Description

旋转机械受力和振动测量装置
技术领域
本发明涉及一种适用于旋转机械部件动力学参数采集和存储装置，特别是一种旋转机械受力和振动测量装置。
技术背景
随着煤矿安全生产要求的不断提高，作为综采工作面的关键设备，采煤机的自动化是实现综采工作面自动化和少人化的必要条件。采煤机截割部是一种典型的旋转结构机械。对于该类结构的机械进行数据的测量和监测时，就需要根据实际工况进行测量和监测系统的设计。
在采煤机截割部破岩研究中煤岩是非均匀物质，其崩落时产生的冲击对机器造成严重的破坏，因此通过研究截齿受力并分析其冲击规律具有重要意义。在截割头工作过程中，其工作环境复杂多变，导致不同工作状态下其振动特性不同，通过对振动信号的分析可以获得截割负载的变化规律以及进一步研究截割头非正常截割时故障识别。引起截割设备振动的振源很多，不同振源引起不同的振动特征，除了截割负载变化引起的振动外，其还包括截割部传动系统振动特征。
所有的旋转机械部件的受力和振动信号包含丰富的状态信息，故对该种机械的受力和振动信号进行测量具有很高的应用价值。现有的旋转机械部件受力的测量是通过间接的方式来采集数据，或是将数据采集后通过滑环或无线等数据传输方式传输出来，然后送入计算机，作进一步处理。旋转机械部件振动的测量较常用的方法是在连接件上安装振动传感器，将振动量转换成电信号，该电信号经一定的变换电路进行变换处理(如滤波、放大等)，再用采样电路将模拟量转换成数字量，然后送入计算机，作进一步处理。旋转机械的受力和振动的测量必须满足以下几个要求:
    1)交流信号和直流信号分别采样；
    2)采样频率高，采集点数多；
3)要有固定的相位起始点，及整周期等相位采样；
4)数据的传输稳定可靠，很好的反映现实工况；
5)数据的采样点布置合理，很好的反映现实工况。
    目前，比较常见的做法是采用通用的数据采集卡，采用有线传输模块来进行实时数据通信。这样电路板卡数量比较多，电路之间的连线也比较复杂。一方面，占用空间比较大，旋转机械部件上可利用空间有限。另一方面，也不利于提高系统的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明的目的是要提供一种旋转机械受力和振动测量装置，解决现有的旋转机械的受力和振动的测量装置电路之间的连线也比较复杂；占用空间比较大，系统的稳定性和可靠性差的问题。
本发明的目的是这样实现的：旋转机械的受力和振动的测量技术方案如下：它包括：信号调理电路、A/D转换模块、avr单片机、数据采集/串口通信切换开关、SD卡读写模块、加速度测量模块、受力测量应变计、电源模块、数据传输接口；
信号调理电路的输入端与受力应片计连接，信号调理电路的输出端通过A/D转换模块与avr单片机连接，avr单片机接有数据采集/串口通信切换开关和SD卡读写模块；SD卡读写模块通过数据传输接口与上位机连接；加速度测量模块与avr单片机输入端连接；电源模块在无外接电路的情况下保证本装置正常工作。
所述的信号调理电路为3路，信号调理电路包括信号调理模块和放大电路受力信号直接由信号调理电路调理和放大处理后，经由A/D转换模块直接接入avr单片机，并由avr单片机对A/D转换模块的输出数据进行存储操作。
所述的加速度测量模块是一个具有加速度测量功能的芯片，提供多种特殊检测功能；活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生，可以检测被测件任意方向的单振和双振动作；该加速度测量模块通过SPI通信模式直接接入avr单片机，avr单片机对数据进行存储操作。
avr单片机包括ATmega16L单片机芯片、晶振、复位、数据采集/串口通信切换开关；其中数据采集/串口通信切换开关是切换avr单片机数据采集和串口通信两种工作状态的开关电路。
SD卡读写模块是直接根据avr单片机的指令，对采集到的数据进行存储。
电源模块将充电电池的电量转换成5v电压提供给单片机，同时给SD卡读写模块供3.7v电压。
有益效果：由于采用了上述方案，将调理电路、信号处理电路、A/D转换模块、数据存储模块、电源模块、数据传输接口集成在一块电路板上，形成一个功能完整的数据采集和存储，为上位机做数据分析提供可靠保障，保证在不需要外接导线的条件下，保证采集到旋转机械工作过程中的受力和振动，既节省了材料，而且能够保证足够大的采样频率，减少信号的损失以及干扰信号的影响。信号调理电路的输入端与受力应片计连接，信号调理电路的输出端通过A/D转换模块与avr单片机连接，avr单片机接有数据采集/串口通信切换开关和SD卡读写模块；SD卡读写模块通过数据传输接口与上位机连接；电源模块在无外接电路的情况下保证本装置正常工作。加速度测量模块通过SPI通信模式直接接入avr单片机，avr单片机对数据进行存储操作。该发明装置可以提高系统运行的稳定性和可靠性，并且减少电路板的数量，结构简单紧凑，易于装卸，体积小，可靠性高。
附图说明
图l是本发明的结构框图。
图2是本发明的电源模块电路图。
图3是本发明的信号调理电路图。
图4是本发明的avr单片机最小系统电路图。
图5要本发明的SD卡读写模块电路图。
图6是本发明的数据采集/串口通信切换开关电路图。
图7是本发明的A/D转换及其控制电路图。
图8是本发明的加速度测试模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实例作进一步的描述：
实施例1：旋转机械的受力和振动的测量技术方案如下：信号调理电路、A/D转换模块、avr单片机、数据采集/串口通信切换开关、SD卡读写模块、加速度测量模块、受力测量应变计、电源模块、数据传输接口；
信号调理电路的输入端与受力应片计连接，信号调理电路的输出端通过A/D转换模块与avr单片机连接，avr单片机接有数据采集/串口通信切换开关和SD卡读写模块；SD卡读写模块通过数据传输接口与上位机连接；加速度测量模块与avr单片机输入端连接；电源模块在无外接电路的情况下保证本装置正常工作。
所述的信号调理电路为3路，信号调理电路包括信号调理模块和放大电路受力信号直接由信号调理电路调理和放大处理后，经由A/D转换模块直接接入avr单片机，并由avr单片机对A/D转换模块的输出数据进行存储操作。所述的加速度测量模块是一个具有加速度测量功能的芯片，该加速度测量模块通过SPI通信模式直接接入avr单片机，avr单片机对数据进行存储操作。电源模块在无外接电路的情况下保证本装置正常工作。
avr单片机包括ATmega16L单片机芯片、晶振、复位、数据采集/串口通信切换开关；其中数据采集/串口通信切换开关是切换avr单片机数据采集和串口通信两种工作状态的开关电路。SD卡读写模块是直接根据avr单片机的指令，对采集到的数据进行存储；电源模块将充电电池的电量转换成5v电压提供给单片机，同时给SD卡读写模块供3.7v电压。
一、采集系统工作原理： 
在图4中，所述的接有数据采集/串口通信切换开关的avr单片机。包括ATmega16L单片机芯片、晶振、复位、数据采集/串口通信切换开关等。受力信号取自受力测量应变计，由信号调理电路分离交流和直流信号并分别放大。信号调理电路的另一端接A/D转换模块，A/D转换模块另一端接avr单片机，avr单片机接有数据采集/串口通信切换开关和SD卡读写模块。另外本装置设有自带的电源模块，可以在无外接电路的情况下保证本装置正常工作。
二、受力信号调理电路
在图3和图7中，四路受力信号分别由电压信号测取电路和放大电路处理后，经由A/D转换模块直接接入avr单片机，并对数据进行存储操作。
三、模/数A/D转换模块电路
在图7中，这是本采集系统的重要部分之一。模/数转换模块的型号为TLC2543IDW，TLC2543是12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
图7中数据信号从TLC2543IDW 直接接入6N137光耦合器中，6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流。
四、电源模块电路
在图2中，所述的电源模块将充电电池的电量转换成5v电提供给单片机，另外还需给SD卡读写模块供3.7v电。
五、SD卡读写模块电路工作原理
在图5中，所述的SD卡读写模块是直接根据avr单片机的指令，对采集到的数据进行存储。
六、数据采集/串口通信切换开关电路：
在图6中，数据采集/串口通信切换开关是切换该装置数据采集和串口通信两种工作状态的开关电路。
七、加速度测试模块
在图8中，所采用的ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达± 16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。
所述的加速度测试模块提供多种特殊检测功能：活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。

Claims (6)

1.一种旋转机械受力和振动测量装置，其特征在于：
它包括：信号调理电路、A/D转换模块、avr单片机、数据采集/串口通信切换开关、SD卡读写模块、加速度测量模块、受力测量应变计、电源模块、数据传输接口；
信号调理电路的输入端与受力应片计连接，信号调理电路的输出端通过A/D转换模块与avr单片机连接，avr单片机接有数据采集/串口通信切换开关和SD卡读写模块；SD卡读写模块通过数据传输接口与上位机连接；加速度测量模块与avr单片机输入端连接；电源模块在无外接电路的情况下保证本装置正常工作。
2.根据权利要求1所述的一种旋转机械受力和振动测量装置，其特征在于：所述的信号调理电路为3路，信号调理电路包括信号调理模块和放大电路受力信号直接由信号调理电路调理和放大处理后，经由A/D转换模块直接接入avr单片机，并由avr单片机对A/D转换模块的输出数据进行存储操作。
3.根据权利要求1所述的一种旋转机械受力和振动测量装置，其特征在于：所述的加速度测量模块是一个具有加速度测量功能的芯片，提供多种特殊检测功能；活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生，可以检测被测件任意方向的单振和双振动作；该加速度测量模块通过SPI通信模式直接接入avr单片机，avr单片机对数据进行存储操作。
4.根据权利要求1所述的一种旋转机械受力和振动测量装置，其特征在于：avr单片机包括ATmega16L单片机芯片、晶振、复位、数据采集/串口通信切换开关；其中数据采集/串口通信切换开关是切换avr单片机数据采集和串口通信两种工作状态的开关电路。
5.根据权利要求1所述的一种旋转机械受力和振动测量装置，其特征在于:所述的SD卡读写模块是直接根据avr单片机的指令，对采集到的数据进行存储。
6.根据权利要求1所述的一种旋转机械受力和振动测量装置，其特征在于：所述的电源模块将充电电池的电量转换成5v电压提供给单片机，另外还需给SD卡读写模块供3.7v电压。
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